CN112383976A - 一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪 - Google Patents

一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，包括供电模块、主控模块、温度采集模块、功率调整模块、加热模块和人机交互模块。主控模块用于系统温度控制的PID算法实现；温度采集模块读取气室温度值；功率调整模块通过调整加热电压来调节系统加热功率；加热模块以设定频率将直流转为高频交流，驱动加热膜加热；人机交互模块由串口显示屏与主控制器通过UART接口通信，实现人机交互。本发明所述的高频恒温仪可实现75W、0‑300KHz的可变频大功率加热，并且将温度采集模块、功率调整模块、加热模块、人机交互模块和PID算法集成到一个块电路板上，其使用灵活，操作简单。

Description

一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪
技术领域
本发明涉及原子气室加热领域，具体涉及一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪。
背景技术
随着量子技术的快速发展，基于无自旋交换弛豫理论的（Spin-ExchangeRelaxation Free，SERF）原子气室在极弱磁测量，超高灵敏惯性测量等诸多领域的研究中都得到了应用。为了使气室中的原子达到SERF 态，需要对原子气室进行高温加热，以达到所需的原子密度，从而保证其自旋交换频率远大于其拉莫尔进动频率。由于一般应用场合对磁场噪声和热噪声都极其敏感，因此要求加热装置必须不引入显著的磁场噪声和热噪声。
现有的电加热方式大部分为直流PWM波加热方式，对于碱金属原子气室来说，由于直流电流产生一个梯度磁场，会导致原子弛豫率显著增大，而交流电流加热则可以有效降低原子弛豫率。此外，高频加热可以将加热电阻丝上电流引起的磁噪声调制到一高频段，使其远大于应用系统的检测带宽，从而抑制其带来的影响。另外目前在该领域使用的温控系统中绝大部分为分立系统，温控系统的PID控制模块、功率调整模块、温度采集模块、加热模块都是分开的，整套系统比较昂贵且不方便移动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高频，大功率的集成加热装置，能解决碱金属气室加热过程中造成的热磁噪声过大以及加热系统的集成化的问题。
为解决上述技术问题，本发明发用的技术方案是：一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，主要由供电模块、主控模块、功率调整模块、温度采集模块、加热模块和人机交互模块组成。
其所述主控模块为DSP处理器，主要负责PID算法实现，读取温度采集模块数据，与串口显示屏进行通信，0-300KHz可变频率输出，电压调整模块控制输出。
所述温度采集模块包括PT1000桥式电路和一个14位模数采集电路，其中14位模数采集电路与主控模块通过GPIO口连接，可以实现0.01℃的温度采集精度。
所述功率调整模块包括数模转换芯片和电压跟随芯片，数模转换芯片与主控模块通过GPIO口连接，可控制电压调整模块实现75W（0-50V/1.5A）功率输出，有利于碱金属气室快速加热。
所述加热模块包括全桥芯片与四个大功率MOS管，全桥芯片与主控模块通过PWM口连接，并通过开关四个大功率MOS管将直流加热电流转换成交流加热电流，并且交流频率值可以在0-300KHz范围内调整。
所述人机交互模块由串口显示屏与主控模块通过UART接口通信，实现人机交互。
本发明具有的优点和积极效果是：本装置通过全桥芯片和MOS管将直流电流转换成0-300KHz高频交流电流，将碱金属气室加热到所需温度，与其它加热设备相比，具有以下优点：
1.频率可调，通过主处理器TMS320F28335可以实现0-300KHz的频率调节。
2.交流电流加热，通过全桥芯片和MOS管将直流电流转换成0-300KHz高频交流电流。使用高频交流电流可以将加热电路产生的热磁噪声的频段调整到一个高频段，有利于降低加热电路热磁噪声对基于碱金属气室的精密检测系统的影响。
3.加热功率可达到75W，可以将碱金属气室快速加热到所设定温度。
4.加热系统小型化，本加热装置将所有模块集成到一块电路板上，使用灵活，操作方便。
附图说明
图1是本发明的整体系统框图；
图2为本发明的PT1000桥式电路图；
图3为本发明的温度传感器信号放大电路图；
图4为本发明的温度传感器信号单端转差分电路图；
图5为本发明的温度传感器信号模数采集电路图；
图6为本发明的电压调整模块控制信号的数模转换芯片的电路图；
图7为本发明的电压调整模块电路图；
图8为本发明的加热电路模块电路图；
图9为本发明的串口通信屏UART接口电路图；
图10为本发明的主控制器TMS320F28335关键引脚电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1~10所示，本发明提供了一种集成加热功能、PID控制功能和人机交互功能的适用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪器，该高频恒温仪主控电路板上集成有供电模块、温度采集模块、主控制器模块、功率调整模块和加热模块。温度采集模块由U11温度传感器，U9基准电压源和三个电阻R24、R25、R27一起构成的桥式电路组成，引出的两个电压接入仪表放大器U10的两个输入端(2、3引脚)，U10将信号放大2倍并从6引脚输出。输出信号通过电阻网络连接到单端转差分模块U34，并被转换成差分信号从U34的4、5引脚输出。输出差分信号经过阻容网络连接到模数转换芯片U35的2、3引脚，将模拟信号转换成数字信号，并通过并行GPIO口(GPIO0-GPIO13)送入主控制器U1，主控制器模块通过对应的关系式计算出此时的温度值；功率调整模块由数模转换芯片U12和电压跟随芯片U14组成，数模转换芯片U12与主控制器通过并行GPIO口(GPIO16-GPIO27)连接，将主控制器输出的数据转换成模拟信号通过其27引脚连接到电压跟随芯片U14的第4引脚，以实时调节U14输出电压。加热模块由全桥芯片U15和四个MOS管U38、U28、U29、U26组成，加热部分的电压由U14产生。主控制器U1的PWM接口(GPIO0，复用接口)与U15的6引脚相连接，U1输出的PWM波的频率在300KHz范围内可调，U15通过控制四个MOS的开启与关断将直流加热电流转换成交流加热电流，加载到加热膜J2两端。
具体工作原理：该电路板集成了供电模块、温度采集模块、主控制器模块、功率调整模块、加热模块和人机交互模块。首先，系统通过串口显示屏输入设定的温度值和频率值，串口显示屏使用湖南迪文科技公司提供的型号为DMT80480L070的工控屏，自带处理器，该串口显示屏通过UART接口与主控制器通信，将设定的温度和频率值发送给主控制器。主控制器将通过PWM接口输出0-3V的设定频率 PWM波给全桥控制器U15的第6引脚，U15的第7引脚接1.9V电压，当6引脚电压大于7引脚，全桥控制器控制U38、U26两个MOS管同时导通，U29、U28两个MOS管同时关闭，此时电压从OUT+信号线流过加热薄膜，从OUT-引脚流出；当6引脚电压小于7引脚，全桥控制器控制U38，U26两个MOS管同时关闭，U29、U28两个MOS管同时导通，此时电压从OUT-信号线流过加热薄膜，从OUT+引脚流出，从而实现交流加热过程。紧接着主处理器读取温度采集模块的值获得当前气室温度，发送给串口显示屏并与设定温度值做比较，经过PID算法，得到一个输出值，数模转换芯片U12通过GPIO口(GPIO16-GPIO27)与主控制器U1进行数据交换，并将经过PID算法计算后的输出值转换从数字信号转换成0-2mA的模拟电流信号，从其27引脚输出。该电流信号经过R29转换成0-1V的电压信号VDAC。VDAC信号连接到电压跟随芯片U14的第4引脚，电压跟随芯片U14是一款电压转换芯片，其外部输入电源由型号为明伟开关电源S-800W提供，可以为U14提供60V/800W的电源。VDAC连接到U14的第4引脚，使其工作在跟随模式，输出电压DCOUT会跟随VDAC的电压大小实时调整，调整范围为0-50V。也就是说，该模块可以为加热模块提供0-50V的电压，考虑到实际加热膜的电阻为33Ω，实际最大加热功率可达到75W，这有利于碱金属气室的快速加热。功率调整模块根据VDAC调整输出电压后，温度采集模块会再次读取当前温度值，经PID计算后重新得到一个调整值输出，该过程一直重复。经过一段时间的PID调整，系统会将气室温度稳定在设定温度值附近。当有新的温度值和频率值输入时，系统又开始新的循环。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，由供电模块、主控模块、温度采集模块、功率调整模块、加热模块和人机交互模块组成，其特征在于：所述主控模块为DSP处理器，用于系统温度控制的PID算法实现；所述温度采集模块包括PT1000桥式电路和一个14位模数采集电路，该温度采集模块的14位模数采集电路与主控模块通过GPIO口连接；所述功率调整模块包括数模转换芯片和电压跟随芯片，该功率调整模块与主控模块通过GPIO口连接；所述加热模块包括全桥控制芯片与大功率MOS管，该加热模块与主控模块通过PWM口连接；所述人机交互模块由串口显示屏与主控模块通过UART接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述加热模块的加热频率可实时调整，通过主控制器的PWM模块调节，调节范围0Hz-300KHz。
3.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述加热模块的加热电流为交流。
4.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述加热模块的最大加热功率为75W。
5.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述系统温度控制采用PID算法实现自动化控制。
6.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述的人机交互模块采用串口显示屏与主控模块通信。
7.根据权利要求1所述的一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，特征在于，所述的DSP处理器处理器型号为TMS320F28335。
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